传感器与测试技术简答题要点

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1、传感器与测试电路复习题小题1 .能将红外辐射量变化转换成电量变化的装置成为红外探测器。红外探测器根据热电效应和光子效应制成。前者成为热敏探测器，后者成为光子探测器。2 .光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的可先均匀相间排列构成的光电器件。按其原理和用途，它又 可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅是利用光的衍射现象制造的，主要用于光谱分析和光波长等量的测 量。计量光栅主要利用莫尔现象，测量长度、角度、速度、加速度、振动等物理量。3 .以光栅的栅距作为分辨单位，只能在有合适的光栅栅距的基础上，对栅距进一步细分，才可能获得更高 的测量精度。4 .编码器按其结构可分为接触式、光电式和电磁式三种，后两种

2、为非接触式编码器。简答题1、热电偶为什么要进行冷端补偿？补偿方法？I为了热电势与被测温度成单值函数关系，需要热电偶的冷端温度保持恒定，由于热电偶的温度一一热电势关系曲线是在冷端温度等于0c下得到的，已知配套的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的，在测量时必须满足冷端温度等于 0会的条件，否则会出现误差，而在实际工作时冷端受外界温度影响很难恒定也不等于0C。方法：冷端温度恒温法计算修正法电桥补偿法2、什么是压电效应？J当某些物质沿其耨一方向被施加压力或拉力时，会产生形变，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的 电荷；当去掉外力后，它后重新回到不带点状态这种现象称为正压电效应。反之，在某些物质的极化

3、方向 上施加电电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后该物质的变形随之消失，这种电能转变为机械能的 现象称之为逆压电效应。2、为什么压电晶片不能做动态测量？只有在外电路负载无穷大， 且内部无漏电时，受力产生的电压U才能长期保持不变；如果负载不是无穷大， 则电路就要按指数规律放电。这对于测量缓变信号极为不利，必将造成测量误差，只有在其上加交变力电 荷才能得到补充，因此压电晶体不能做动态测量。3、霍尔效应及其原理？在置于磁场的道题或半导体中通入电流，若电流与测长垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一 个电势差；此现象为霍尔效应，其本质是固体材料中载流子在外加磁场中运动时因为受到洛仑兹力的作用

4、， 而使轨迹发生偏移并在材料两侧产生电荷积累形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到洛仑兹力的 与电场力相平衡从而在两侧建立起一个稳定的电势差及霍尔电压。4、霍尔元件不等位电势产生的原因？当磁感应强度为0时，控制电流为额定值，霍尔电极间的空载电势成为不等位电势。产生原因：霍尔电 极安装位置不正确，不对称或不在同一等电位量上。半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或使几何尺 寸不均匀。控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布。5、莫尔条纹是如何形成的？有哪些特性？若将两块光栅(主光栅、指示光栅)叠合在一起，并且使它们的刻线成角度9 ,由于光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙

5、相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就成为摩尔条纹。特性：运动对应关系位移放大作用。B=W/2/sin( 9/2)当两块光栅沿着垂直于刻线方向相对移动时，莫尔条纹将沿着刻线方向移动，光栅移动一个节距VV莫尔条纹也移动一个间距 B,从式可知，。越小，B越大，使得BW即莫尔现象有使栅距放大的作用，因此独处 莫尔条纹的数目比读光栅刻线要方便的多。误差平均效用。计算题1、有一悬臂梁，在其中部上、下两面各贴两片应变片，组成全桥，如图所示。请给出由这四个电阻构成全桥电路的示意图。若该梁悬臂长 L=0.25m,宽b= 0.06m,厚h=0.003m ,弹性模量E=7x101

6、0Pa,应变片灵敏度系K=2,应变片空载电阻 R=120Q,应变片中心距固定端 x= 0.4L,现受一向下x,+Ri6 x (1 一0.4)X0.25 mF 二2102 1N=2.38 100.06m (0.003m)7 10 N/m1（梁上各处应变E = 6（）F） bh EFUoR2 R36(L -x)bh2E出二K；R.R = RKs =120QM2次.38父10 =0.005712Q力F =1N ,试求此时四个应变片的电阻值。当应变为2U&电桥输出为/ /UtE旧= EK；=3 2 2 10“=3 10 ” V当应变为2000 时电桥输出为E 3= EK；=e 2 2 10=3 10

7、4 V对于 R,R4 =；0 二.R 0 R = R4 =120.005712。对于 R2,R3=；：二0 = ：R ；0R2 = R3 =119.994288。2、阻值R =120夏，灵敏系数K =2的电阻应变片与阻值120c的固定电阻组成电桥，供桥电压为3V,并假定负载电阻为无穷大，当应变片的应变为 2Ne和20006时，分别求出 /XxTk ， r单臂、半桥差动电桥的输出电压，并比较两种情况下的灵敏度。单臂时电桥电压灵敏度为R半桥时当应变为2气电桥输出为U =E9R = EK8 = 3父2父2M10* = 6m10V2 R 22,E R E 3当应变为2000公时电桥输出为U = ER

8、= EK名=3父2父2M 10=6m10TV2 R 22电桥电压灵敏度为Su显然半桥电桥电压灵敏度为单臂的2倍。3、有一钢板，原长 L=1m,弹性模量E =2父1011 Pa,使用 BP-3箔式应变片 R=12QQ,灵敏度系数K=2,测出的拉伸应变值为300 a &试求：钢板伸长量 AL,应力如果要测出1心应变值则相应的R/R是多少?.：L = L ； =1m 300 f Oc-=；E=300 代 21110Pa=671 0 PaR工-K ； =2 300 10 =6 10RR =RK 4 20 M6 父/0=0. Q72若要测出1代应变值，则K ； =2 1 10 =2 10R/R及AR。0

9、. 3 m m1f4、习后的tn差动电标电路211在材料为钢的实心圆柱试件上，沿轴战和周周方向抖贴一片也15为】之帆1的金墙应变片和修， 把这阚应变片接人差动电桥（参看二典图之一1）若翎的泊松比h=0,25,应变片的央域系敕KC.电拚向电 源电压q=2V,当试件受轴向拉伸时，测再应变片R1的电阻变化值R=0 4SL试求电机的输出电压U0；若 柱体直位d=lOmm,材料的弹性模量E=2MlO”K/m2,求其所受拉力大小.Ml由AR产|=K则竺里央“e2= -=-0,25x0,002 -O.QOO57所以电拚输出电压为.1=T J2-x 1x(0.002+ 0.00057)= 0.00257(X7

10、)=2.57m3.46XmV/N)当称承F-OdkgRA虫雨=49NH，h输出电压为U0=K F=3.463.3=16.97(mV)6、有一只差动电感位移传感器，已知电源电匕二=4户400Hz,传Sx感器线圈铜电阻与电感量分别为R=4OR, L=30mH,用两只匹配电阻设计成四臂等阻抗电桥.如习题图316所示，试求士匹配电阻RUR4的值；(2)当Z=10时，接成差动电桥后的输出电压值：6解，(1)线圈感抗Xy =01 L=2nfL= 2 n x400x 3 Ox 10- =15.4 ,： G)线圈的阻抗Z = Jr，=7402 +75.42 = 85.4(Q)故其电桥的匹配电阻(见习题图3“

11、6(2)当AZ=10洞,电桥的输出电压分别为AZ 410.、U = X= 0,234(/)2 Z 2 85J7、4-4行-当变间隙/接触式也容侧微仪.其竹麒器的极板半衽Zmm.偿设与被泅工件的初始向就 dr|=0.3uiino 试求：(I)如果传感耨与工件的间隙变化量(1=1口叩1.电容变化地为多少？(2)如果测最电路的双锻度足MuROOm、加F.则在时的输出电压为多少？解：由翘意顼求(1)初始电容工= L48x1Q-13(fJS.S5xlO 12 xx(4xl0-3f0.3 x 101 4gpFAC d_Ih G 4 , 则当Ag(Xim 时= 0Q49pF如果考虐4=031】111-1四1

12、11与111=0.3111111 -10晔1之间的电容变化量为丁，则应为ACF=2|AC|=2 叩.049=0. OpF(2)当蝴=i中皿时AC=Cfl =里？一xl.48pF = 0.0049pF/03x10irtl KU= 100m 7pF=U0/AC + 则L(J=K uAC =1 OOmV/pFx (iO .00 49pF尸却,49m V8、*1，%翁百了 而示衰薪式商工的晶形电容传感器.其可动内电极圆筒外经dHJ&nni.固定电极 外圜筒内经D=1 0皿M初始平衡时，上、下电容器电极覆盖长度工产产4=?mm.电极间为空气介质.试 求：（1）初始状态时电容器d、J晌值；（2）当将其接入

13、习题图d14（8惭示差动变压器电桥电路，供桥电压FlOVf交流），若传感器工作时 可动电极筒最大位移30?mm,电桥输出电压的最大变化范围为多少？（b）习.914解（1）初始状态时= %Lq 2. DLn SxffxS.SSxlOxSxlO-3d5 51xlO-2(F) = 5.51pFIn电9.8(2)当动电报筒位移Ax-+a2miii向上)时，=24-0.2=2 2mm. L2=2-Q 2=18inni.则2xffx8Lg5xlO-12 冥 2.2x10-3-6.06 x 10-12 (F)= 6.06pF差动变压器电桥输出为9.82 x-x8.85 x 10-12 xl.SxlO-3In

14、四9.84.96 x IO-12 (F) = 4.96pFE Cv-C25 g+Q 一10 6.06-4 96 = 0.5Cv)2 6.06 + 4 %同理，当动电极高位移Ai=0-2niin （向下）时，L （=20,2=1 8mm L,=2+0,2=2.2inin,则g = 4.96pF C2 -6.06pF差动变压器电桥输出为9、注:该题中的BaTiO3按照教材中的数据为 片=1200, d33 =190 ,此答案中的数据有误，请同学自行改正。53仃一压电晶体,其面貌为20皿度为10mm.当受理压力片IQMPU乍用忖r求产生的电茴星 及输出电压：(I)零度X切的纵向石英晶体1利用纵向效度

15、的BaT】Qy建由嵯意如，压电晶体受力为F =pSM 0 * 10M0 H 0=200(X)口)阴X切割石英晶体.=/$ d|：|=2.3)J0-12C/N等效电容c _ ,8 _8,85x0-12 X4,5x20x10a d 10x0-3=7.97 X 10-n(F)空力户产生电荷，=d“F=2Tl X 10-12 X 200=462 X Q-(C)=-Ki2pC,辅出电压叽=J62xl产7 97x10*= 5.796xlO1(V)C2)利用纵向效应晌BaTi。；，.1900, d、=191 xl(r“7N等效电容c _ %5声 _ &85-1产 1900乂Q1=0xl0-J=33 6X10

16、l-(F)=33.6= .11 xlO-9 =.dm /dMg =ifem * 1X1 1 lx10-9(mm=l It,lH,厚度最大变化量即厚度变化的峰一峰值)5=2 4=, lx。-9 =2J2xJ0 (mm)=2.2210-12m11、已知铜热电阻Cu100的百度电阻比 W(100)=1.42,当用此热电阻测量50 温度时,其电阻值为多少？若测温时的电阻值为92。，则被测温度是多少？R由 W(100) =1.42可得：=1.42 已知 R0=100 = %0=142R0由Rt= Ro（1+o（t）,将Ro=100和Ro。=142代入得到电阻温度系数a = 0.0042/C当测量的温度为

17、 50c时，则 Rt = R0(1+o(t)= 100(1 + 0.0042x 50) =121 Q当电阻值为 92。时，有 R0(1+5) = 100(1 +0.0042 xt) =92 = - 19C12、若某光栅的栅线密度为50线/mm,主光栅与指示光栅之间的夹角为，0.2度。说明莫尔条纹形成原理及特点。求其形成的莫尔条纹间距 Bh是多少?当指示光栅移动100师时，莫尔条纹移动的距离?该答案在简答题时已经给出，不再赘述。光栅的栅距为：1W=0. 02mm莫尔条纹宽度为BhWw=2sin2q320 10 mm 一一5.73mm2sin当标尺光栅移动100微米时，莫尔条纹移动的距离为 573

18、mm 父100M10上m = 28.65mm0.02mm13、压电式加速度传感器与电荷放大器连接,电荷放大器又与函数记录仪连接。已知:传感度）器的电荷灵敏度/Kq =100 pc/g,反馈电容 Cf = 0.001科F ,被测加速度 a =0.5g。电荷放大器的输出电压是多少？电荷放大器的灵敏度7 /若函数记录仪的灵敏度电荷放大器输出电压:试求:（每库仑输出的电压）是多少?Kg = 2 mm/mV ,求测量系统总灵敏度 K。（单位g是重力加速QKqa 100 1042 0.5Cf Cf0.001 10-0.05V =50mV电荷放大器灵敏度:UoQ50 10-100 102 0.510.001

19、 109= 109V/C系统总灵敏度：K=KqKaKg=100 10,2 1 09 2 = 0.2m/g14、图示为光纤传光示意图，若空气的光折射率为死，要使光纤的入射光在光纤纤芯内全反射，则6b至多为多少？写出推导过程。当光线以入射角4进入光纤的端面时，在端面处发生折射，设折射角为,然后光线以最* I角入射至纤芯与包层的界面。当19k角大于纤芯与包层间的临界角ec时，则射入的光线在光纤的界面上发生全反射。根据斯涅耳（Snell）光的折射定律n0 sinHi =n1 sin 耳，n1 sin 或=n2 sin斗sin -i =（n1 / n0）sin（90 - 八）=n1 /n0 cos9k =上1 _sin2 .n。sinq =11-(n2siner)2 n0 .n11 .222 .=n1 -n2 sin ：n0n0一般皆空气，故 n0=1sin -i -n2 -n2sin2 -r当。r =90 ,牝=3/的临界状态时, i maxsin 小=、.n2 - n2 = NA上式所示，sin Bmax称为光纤的数值孔径，用 NA表示。它表示当入射光从折射率为no的外部介质进入光纤时，只有入射角小于生的光才能在光纤中传播。否则，光线会从包层中逸出而产生漏光。NA是光纤的一个重要参数， NA值越大，光源到光纤的耦合效率越高。光 纤的数值孔径仅决定于光纤的折射率，与光纤的几何尺寸无关。